激光三角法測量物體位移

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1、課程設(shè)計Ⅱ（論文）說明書題目：激光三角法測量物體位移學(xué)院：電子工程與自動化學(xué)院專業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名：覃榮梅學(xué)號：1000830303指導(dǎo)教師：王新強2014年1月5日激光三角法測量物體位移摘要本課程設(shè)計基于激光三角法原理對物體較小范圍內(nèi)的移動進行測量。在長度、距離及三位形貌等的測試中有廣泛應(yīng)用。通過激光三角法兩個方案直射式和斜射式的特點，結(jié)合實驗條件，選擇最合適的方案進行測量。本次測量最大的特點就是非接觸式測距，實際中對非接觸式測距一般很難知道物體到成像透鏡的距離，可由成像透鏡焦距以及激光光線和物體散射光線組成的三角形的邊長計算出該距離。通過定標(biāo)，得

2、出透鏡上成像距離與物體像移動距離間的對應(yīng)關(guān)系，用此標(biāo)尺作為計算移動位移的標(biāo)準(zhǔn)。移動物體采集光斑圖像，用matlab軟件對圖像處理進行處理，計算像的移動距離，再根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出物體的實際移動距離。在最后計算出該方案的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，并對方案產(chǎn)生的誤差進行分析，提出改進意見。設(shè)計方案光路簡單，方便快捷，受環(huán)境影響小而且測量精確度較高。關(guān)鍵詞：激光三角法；測距；定標(biāo)；CCD；誤差分析激光三角法測量物體位移目錄引言11.設(shè)計任務(wù)12.激光三角法測距基本原理13.方案論證和選擇23.1激光三角法測距現(xiàn)狀23.2測量方案23.3方案比較與選擇43.4器件選擇64.方案驗證

3、步驟及數(shù)據(jù)記錄64.1方案驗證步驟64.2測量數(shù)據(jù)記錄64.2.1測量獲得成像透鏡焦距64.2.2定標(biāo)74.2.3移動物體測量位移75.測量數(shù)據(jù)處理85.1各個距離測量值計算85.2定標(biāo)計算95.3光斑位移量計算105.4夾角和物體實際移動位移計算106.誤差分析及方案評價116.1相對誤差和絕對誤差計算116.2誤差分析126.3設(shè)計方案評價127.課題分析評價138.課設(shè)總結(jié)13參考文獻14附錄1實驗器件清單15附錄2實驗光路圖16附錄3圖像處理程序17附錄4光斑圖像處理后灰度圖18附錄5物體移動光斑圖19激光三角法測量物體位移激光三角法測量物體位移第19

4、頁共19頁激光三角法測量物體位移引言激光具有方向性好、單色性好、亮度高等特點，因此利用它們作為測距的發(fā)射源有很多優(yōu)勢，比如測量速度快、精度高、測距遠等。隨著半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，激光測距正向小型、快速、低功耗、低成本和人眼安全方向發(fā)展。目前激光測距技術(shù)主要有脈沖測距、相位測距、激光干涉法測距、激光三角法測距等。脈沖激光測距的主要特點是單次測量時間短、測距遠、無需合作目標(biāo)、隱蔽和安全性好。但測量精度相對低，一般為米級精度。相位激光測距，其特點是測量精度高，能夠達到毫米級別，但要求使用連續(xù)激光器，單次測量時間較長，測量較遠距離時，需要在目標(biāo)處放置合作目標(biāo)。對于小型或

5、便捷式激光測距設(shè)備而言，由于受到激光器功率的限制，相位激光測距的測距一般不大，通常為百米以內(nèi)。干涉法激光測距，其特點是測量精度較高（達到微米級）。但其測量精度容易受大氣起伏的影響，而且要求基座采用笨重的儀器設(shè)備。激光三角法測距，其特點是簡便、精度高、適合測量微小位移。但其測量精度受光學(xué)系統(tǒng)和CCD成像系統(tǒng)分辨率的限制，系統(tǒng)對接收機器件的要求也較高，同時不能用非匹配表面物體和透明物體作為被測目標(biāo)。1.設(shè)計任務(wù)（1）掌握激光三角法的測量原理；（2）掌握CCD的工作原理與數(shù)據(jù)處理；（3）設(shè)計測量光路；（4）完成測量光路的搭建及物體位移的測量；（5）分析測量精度；2.

6、激光三角法測距基本原理第19頁共19頁激光三角法測量物體位移在被測物體表面上方，用一束激光以一定角度照射，激光在物體表面發(fā)生散射或者反射，在另一角度用成像系統(tǒng)對激光散射或者反射的光進行匯聚成像，當(dāng)被測物體位置發(fā)生變化時，被測物體上的激光照射所產(chǎn)生的光斑的位置變化，光散射或者反射的角度也會發(fā)生變化，用光學(xué)系統(tǒng)對光線進行匯聚，光斑在成像系統(tǒng)CCD上會發(fā)生位移，從而在計算機屏幕上也可觀察到光斑的相應(yīng)移動。通過matlab軟件對采集的圖像進行處理可以得到兩個光斑間的距離，再通過最初定標(biāo)得到的比例尺，換算出在它CCD表面上的移動距離。由于激光出射光線和反射（散射）光線構(gòu)

7、成一個三角形，對光斑位移的計算，幾何三角和激光器運用其中，所以稱此方法為激光三角法測距。按照入射激光光束和被測物體表面法線的角度關(guān)系，一般分為直射式和斜射式兩種方式。3.方案論證和選擇3.1激光三角法測距現(xiàn)狀激光三角法測距之初，所選擇的激光器體積大，受環(huán)境干擾情況嚴(yán)重，因此測量精度大大下降，并未得到廣泛應(yīng)用。近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展有了突飛猛進的成果，半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)使得測量光路更加簡單，并且受環(huán)境干擾性小，計算機對圖像的處理使計算距離更加精確、快速，因此激光三角法測試技術(shù)在測量物體位移方面得到廣泛應(yīng)用。激光三角法測量常采用直射式和斜射式兩種

8、結(jié)構(gòu)，因此有直射式和斜射式兩種結(jié)構(gòu)。3